间歇式自动曝气对葡萄枝堆肥效果的影响

常小箭,王 涛,宋喜芳,刘 喆,陈 妮,景鹏娟

(1.西安市农业技术推广中心,陕西 西安 710061;2.陕西省农业培训中心,陕西 西安 710000;3.陕西省现代农业科学研究院,陕西 西安 726000)

随着西安市产业结构的调整，果业已经成为西安都市型农业的重要内容和支柱，也成为西安农业的“名片”。“中国猕猴桃之乡”、“中国户太葡萄之乡”等享誉全国，2017年西安市果树种植面积就达到5.36万hm2，其中葡萄种植面积达0.72万hm2，占全市果树种植面积的13.5%。根据刘丽丽[1]等的研究，按照葡萄树每年667m2地修剪枝条800～1 000 kg计算，2017年仅葡萄树剪下的枝条就达8.67万～10.82万t，葡萄树枝条含有大量的养分含量，据刘丽丽[2]等研究，葡萄枝条总氮含量为0.07%，总磷含量为0.17%，总钾含量为1.29%，总碳含量44.17%，如何合理利用这些“废弃物”成为我们目前急需解决的问题，传统的果枝堆沤需要近8个月才能完全腐熟，腐熟周期长，笔者通过改变传统的翻堆模式，改为间歇式自动爆气，研究对葡萄树枝条堆肥的影响，为我市果树枝条综合利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

堆肥使用新鲜的鸡粪，葡萄树枝条选择两年生枝条性质见表1。材料均来源于扈邑区天益美农庄，供试微生物发酵菌剂为LV有机肥发酵菌剂(四川绿微生物科技有限公司提供)。

表1 堆肥原料的基本性质

1.2 堆肥方法

预先将葡萄枝条整理成10～15 cm的小捆，用粉碎机粉碎约5～10 mm，按10%～20%比例向粉碎好的枝条碎屑中掺入新鲜鸡粪调节碳氮比，同时混入 0.1%～0.2%的专用发酵菌剂。混合堆砌，水分调节到55%～60%。堆肥在宽1.2 m，深1.5 m，长10 m的堆肥槽内进行，物料完成堆砌后用大棚膜覆盖。实验分为两个处理，一个采用人工翻堆的模式，当堆体温度达到60℃，翻堆一次，每两天翻堆一次；腐熟快结束时温度到50℃时一周翻堆一次，另一个采用间歇式曝气装置处理，曝气装置见图1，将其置于堆体前面，连接通气管导入气体，空气压缩机提供稳定气流，每天爆气5次，每次曝气50 min，通风速率为20 m3·h-1。两种堆肥样品分别从上中下三层获取，每层取三个点，共9个样点，混合后保存测定pH、含水率、全C、全N。该实验从2018年3月9日开始至2018年5月25日结束。

图1 曝气装置示意

1.3 堆体温度的测定

每天下午4点用数显式地温计测定堆肥表层下40～50 cm处，堆肥四边和中心温度，计算其平均温度为堆肥发酵温度，同时记录当天气温，记录发酵最高温度及持续时间。

1.4 pH测定

用玻璃电极pH计测定。用烧杯取100 g左右的样品，加入相同体积的蒸馏水，搅拌并在摇床上以150 rpm的转速震荡30 min，将pH计放入悬浊液种，稳定后读数。

1.5 物料干物质、全碳、全氮测定

干物质用烘干法(105℃，6 h)[3]，全碳由OM×44.4%计算确定[4]，全氮用凯氏法测定[5]。

1.6 含水率测定

用玻璃或瓷质容器称取100～200 g的新鲜样品，放入烘箱在105℃温度下烘12～24 h,哄完后取出样品放入干燥器冷却至室温并称重，重复上述操作，直至样品维持恒重。

计算公式：Vt=100×(pu-ps)/pu

Pu:新鲜样品重量g;ps：烘干后样品重量g

1.7 堆肥物料减重测定

在堆肥前及堆肥结束后，利用磅秤称取堆肥物料的总重量，测定不同通风方式下堆肥物料减少量。

1.8 数据处理

用试验数据采用 Excel 2007软件进行计算处理。

2 结果与分析

2.1 人工翻堆与间歇式曝气对堆体温度的影响

在间歇式曝气和人工翻堆两种模式下，堆体温度变化结果如图2所示。由结果可知，间歇式曝气的堆体温度上升较快，发酵第三天迅速上升到65℃，最高发酵温度达到70℃，且60℃左右的高温持续了近两周的时间，17 d后堆体温度开始逐渐下降。发酵20 d左右调节物料含水量，再一次促进微生物分解，堆体温度上升最高温度达64℃，64～60℃维持6 d后堆体温度逐渐下降，发酵60 d左右堆体温度开始接近室温。相比较人工翻堆的堆体温度上升速度较为缓慢，发酵10 d后堆体温度上升为最高达到67℃，且高温持续时间仅一周左右。堆肥温度的变化反应了堆肥进程，同时也影响微生物数量的变化，细菌、真菌、酵母菌的变化趋势随着温度的升高而减少，放线菌随着温度的升高而增加。王伟东[6]堆体进行二次升温发酵与堆体内果树枝条木质素、纤维素含量较高有关，且二次升温有利于加速果树枝条中木质素、纤维素的分解。间歇式曝气经过二次升温后，比人工翻堆提前9d堆体温度恢复到与室温一致，此时堆体处于稳定状态，表明间歇式自动曝气可以加速果树枝条的堆肥化进程。

图2 间歇式暴气与人工翻堆堆体温度变化

2.2 人工翻堆与间歇式曝气对物料pH的影响

pH也是影响微生物生长的重要条件，并随着时间和温度的变化而变化，在堆肥前期如图3所示堆体pH逐渐上升，这与堆体中微生物的代谢分解有机酸及堆肥物料中大量含氮有机物分解产生铵态氮有关[7]。堆肥后期，人工翻堆和间歇式曝气的堆体物料pH都有所下降，在堆肥反应进程结束时分别为7.4和7.1。由试验结果可以看出，一自动曝气处理的pH比人工翻堆处理的pH低，pH值为中性或者弱碱性时，利于微生物的生长繁殖，能够加速堆肥化进程。二间歇式曝气比人工翻堆提前7d开始下降，这与堆肥后期物料中有机物的分解有关，因此pH能够表征堆肥物料的理化性质及堆肥化腐熟进程。笔者试验表明，自动曝气不仅能够加快堆肥的腐熟进程，且能够加速物料中有机物质的分解。

图3 间歇式暴气与人工翻堆堆体pH变化

2.3 人工翻堆与间歇式曝气对物料干物质重的影响

如图4所示，人工翻堆与间歇式曝气物料干物质的分解都是在前一个月快速分解，中后期分解放缓，在前30d人工翻堆与自动曝气处理中的干物质损失分别为26%和34%，中后期人工翻堆与自动曝气处理中干物质损失分别为12.3%和30%。说明葡萄树枝条的物质分解主要在发酵进程的前30d，且自动曝气处理在前1个月干物质下降速度要比人工翻堆的速度要快，说明自动曝气能够加快葡萄枝条的物质分解。

图4 间歇式暴气与人工翻堆物料干物质变化

2.4 人工翻堆与间歇式曝气对物料全C、全N和C/N的影响

由表2可以看出，葡萄枝条堆肥过程中全C逐渐下降，到堆肥结束时人工翻堆堆肥物料全C下降了4.6%，曝气堆肥物料全C下降了7.7%；这与发酵过程有机物快速分解有关。全N的变化趋势与全C刚好相反，随着发酵的进行总氮含量是减少的，但相对含量有所上升，这与有机物矿化过程有关，不稳定的有机碳水化合物被降解为CO2导致物料减轻，从而引起浓缩效应，导致N含量增加[8]。C/N随着发酵的进行逐渐降低，自动曝气处理的下降更快，堆肥到76d时下降率为40.6%，而人工翻堆的下降率仅为18.8%。

表2 自动曝气与人工翻堆葡萄枝条堆肥过程中全C、全N和C/N变化(干基)

2.5 工翻堆与间歇式曝气对物料含水率的影响

水分在堆肥发酵过程中主要的作用是溶解微生物、为微生物代谢提供水分，通过水分的蒸发影响堆肥温度，因此堆肥物料含水率直接影响堆肥的反应速率、同时影响堆肥的品质。由图5可以看出，随着堆肥反应的进行人工翻堆与间歇式曝气物料含水率都逐渐下降，间歇式曝气堆肥含水量的下降在发酵前期和中期都较人工翻堆的含水量低，在发酵后期堆肥含水量又较人工翻堆含水量高，且间歇式自动曝气较人工翻堆堆体含水量提前15 d左右达到稳定状态。在堆体反应结束时间歇式自动曝气物料含水率从最初的60%减少到37%，人工翻堆堆体物料含水率从起始含水率60%减少到34%，与一般堆肥腐熟后物料含水率一致[9]。

图5 间歇式曝气与人工翻堆物料含水率的变化

2.6 人工翻堆与间歇式曝气对物料重量的影响

堆肥发酵结束后，对物料进行称重(图6)，人工翻堆的物料初始重959.2 kg，发酵结束后物料重512.7 kg，减少46.5%。间歇式曝气的初始物料重953.kg，发酵结束后物料重469.5 kg，减少50.7%。间歇式曝气发酵比翻堆损耗的有机物料更多，说明氧气的摄入可以加速微生物的活动，大量的有机物经过微生物的有氧呼吸分解为二氧化碳等气体逃逸出堆体，从而导致发酵结束后堆体物料较翻堆物料减少的多一些。

图6 间歇式曝气与人工翻堆物料重量变化

3 结果与讨论

果树枝条含有大量的纤维素和木质素，大量研究证明纤维素和木质素较难分解，是减缓果树枝条堆肥腐熟进程的主要原因，同时也是影响堆肥产品品质的关键因素[10]。吕育财等[11]研究证明以秸秆和鸡粪等为原料的堆肥过程中，间歇式曝气比传统翻堆能够促进堆肥快速达到稳定状态，缩短腐熟周期。曾剑飞等[12]研究证明相对于连续供氧，适度间歇供氧模式能够改善堆肥微生物菌落，从而加速堆肥反应的进程。笔者研究与上述研究者的研究结果类似。笔者研究间歇式自动曝气对堆体发酵温度有较明显的影响，与人工翻堆相比提前3d堆体温度达到峰值，其高温持续时间较人工翻堆长一周左右，有利于杀灭物料中的有害病菌保证堆肥品质。调节物料水分含量后出现二次升温发酵，这与堆体内果树枝条木质素、纤维素含量较高有关，且二次升温有利于加速果树枝条中木质素、纤维素的分解。间歇式曝气经过二次升温后，比人工翻堆提前9d堆体温度恢复到与室温一致，此时堆体处于稳定状态。

pH是影响微生物生长的重要条件，间歇式自动曝气处理的pH比人工翻堆处理的pH低，堆肥反应进程结束时分别为7.1和7.4，pH值为中性时能够促进微生物的生长繁殖，加速物料中有机物质的分解，在前30 d人工翻堆与自动曝气处理中的干物质损失分别为26%和34%，中后期分解放缓，中后期人工翻堆与自动曝气处理中干物质损失分别为12.3%和30%。在整个堆肥反应进程中，物料全C含量自动曝气下降了7.7%、人工翻堆堆肥物料全C仅下降了4.6%，该数据与上述物料中干物质损失数据一致。C/N随着发酵的进行逐渐降低，自动曝气处理的下降更快，堆肥到76 d时下降率为40.6%，而人工翻堆的下降率仅为18.8%。在堆体反应结束时，间歇式自动曝气物料含水率从最初的60%减少到37%，初始物料重953.1 kg，发酵结束后物料重469.5 kg，减少了50.7%。人工翻堆堆体物料含水率从起始含水率60%减少到34%，初始物料重959.2 kg，发酵结束后物料重512.7 kg，减少了46.5%。

果树枝条由于含有大量较难分解的纤维素和木质素，专家学者通过改变通风效果、枝条粒径，培养复合菌种等多种方式为加速果树枝条快速腐熟提供理论研究。通过控制曝气时间加速果树枝条腐熟的研究相对较少，笔者通过间歇式自动曝气和人工翻堆对比，证实了间歇式自动曝气能够加快果树枝条腐熟的速度，且能够提高堆肥品质。果树枝条腐熟后能够成为良好的有机肥资源，被称为是“放错位置的资源”。西安市近些年果树种植面积大幅度增加，但并未形成良好的果树枝条回收体系，大部分农户将修剪的枝条当成柴火烧掉，或者粉碎后不经处理直接还田，不仅造成环境的污染也造成资源的浪费，未经腐熟的果树枝条带有很多有害病菌，直接还田会给果树生长带来危害。笔者对果树枝条肥料化利用提供了关键技术的研究，在全市加以宣传推广，能够从根本上解决果树枝条可能带来的环境污染问题，实现农业资源与生态坏境的可持续发展。